固体聚合物水电解池电极优化研究

【摘要】：固体聚合物(SPE)水电解技术因具有能量效率高、产品纯度高等优点在制氢、航天、军事等领域中具有重要应用。SPE水电解技术的核心是SPE膜电极，其中制备高活性高稳定性阳极催化剂、优化催化层结构、改进电极制备方法及提高扩散层耐腐蚀性是提高水电解池性能，加快SPE电解水技术商业化进程所亟待解决的关键问题，本文对此展开较深入的研究。 本文系统研究并优选了固体聚合物水电解用高活性高稳定性析氧电催化剂，得到了最优析氧电催化剂配比为80wt％IrO_2+20wt％Pt。提出了以体积比优化阳极薄层亲水催化层中Nafion与催化剂的组分配比，通过交流阻抗、循环伏安、极化曲线等电化学的测试方法，得到Nafion与阳极催化剂(Pt黑与IrO_2混合物)的最优体积比1：10。使用最优组分配比的水电解池在300mA·cm~(-2)时的电解池电压仅为1.49V，在1000 mA·cm~(-2)时电解池电压为1.63V。研究了增强型五层SPE膜电极的制备方法，这种方法增大了Nafion与催化剂的接触面积，降低了接触电阻，扩大了电化学反应界面，并在一定程度上解决了析氢析氧造成的CCM剥离问题，延长了电极的使用寿命。首次将高效催化剂IrO_2担载在抗腐蚀材料Ti粉表面制备了IrO_2／Ti整平层材料，并将碳纸作为SPE水电解池的扩散层基底，在其上以IrO_2／Ti材料构筑耐腐蚀整平层，设计并制备了高电导率、高强度、商电化学稳定性的耐腐蚀扩散层。通过耐腐蚀扩散层将析氧过程中产生的强氧化性中间产物快速复合成氧分子， 【关键词】：固体聚合物水电解池膜电极 析氧电催化剂 催化层 CCM 扩散层
【学位授予单位】：辽宁师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TQ150.1
【目录】：

• 目录2-5
• 中文摘要：5-7
• 第一章 文献综述7-27
• 1.1 前言7-8
• 1.2 固体聚合物水电解池工作原理及特点8-9
• 1.3 固体聚合物水电解池技术发展现状9-11
• 1.4 固体聚合物水电解池电极关键材料研究进展11-19
• 1.4.1 SPE膜12-13
• 1.4.2 催化剂的选择13-16
• 1.4.2.1 析氢催化剂13-14
• 1.4.2.2 析氧催化剂14-16
• 1.4.3 SPE膜-电极的制备工艺16-19
• 1.4.4 扩散层(集电器)19
• 1.5 SPE水电解技术发展与应用前景19-20
• 1.6 本论文的工作思路及研究内容20-22
• 参考文献22-27
• 第二章 固体聚合物水电解析氧催化剂的研究27-44
• 2.1 实验28-32
• 2.1.1 析氧电催化剂的制备28
• 2.1.2 IrO_2不同制备方法的选择28-29
• 2.1.3 物理表征29
• 2.1.4 电化学表征29-30
• 2.1.5 膜电极(MEA)的制备30-31
• 2.1.6 单池组装及工艺流程31-32
• 2.2 结果与讨论32-41
• 2.2.1 BET表征32
• 2.2.2 XRD表征32-34
• 2.2.5 CV表征34-37
• 2.2.6 析氧催化剂性能的单池评价37-39
• 2.2.7 不同方法制备IrO_2催化剂的水电解极化曲线39-40
• 2.2.8 优化Pt黑与IrO_2混合催化剂的配比40-41
• 2.3 结论41
• 参考文献41-44
• 第三章 固体聚合物水电解池电极催化层结构优化研究44-55
• 3.1 实验部分45-46
• 3.1.1 阳极电催化剂的制备与表征45
• 3.1.2 SPE膜电极制备45-46
• 3.1.3 单池组装及测试条件46
• 3.1.4 电化学测试46
• 3.2 结果与讨论46-53
• 3.2.1 IrO_2电催化剂物理表征结果46-48
• 3.2.2 电化学测试48-53
• 3.2.2.1 电化学阻抗48-50
• 3.2.2.2 循环伏安曲线50-51
• 3.2.2.3 SPE水电解池电极性能测试51-53
• 3.3 结论53
• 参考文献：53-55
• 第四章 固体聚合物水电解池增强型膜电极制备55-69
• 4.1 实验部分56-60
• 4.1.1 CCM制备56-57
• 4.1.2 CCM的SEM表征57
• 4.1.3 MEA的制备57-58
• 4.1.4 增强型CCM的单池电化学性能测试58
• 4.1.4.1 单池极化曲线测试58
• 4.1.4.2 单池EIS测试58
• 4.1.5 增强型CCM的稳定性测试58-60
• 4.1.5.1 增强型CCM的稳定性模拟评价58-59
• 4.1.5.2 增强型CCM的单池稳定性评价59-60
• 4.2 结果与讨论60-66
• 4.2.1 三层和五层CCM截面的SEM分析60
• 4.2.2 增强型CCM的单池电化学性能分析60-62
• 4.2.2.1 单池极化曲线测试60-61
• 4.2.2.2 单池电化学阻抗测试61-62
• 4.2.3 不同CCM的稳定性分析62-66
• 4.2.3.1 不同CCM的单池寿命实验62-63
• 4.2.3.2 增强型CCM的稳定性模拟评价63-66
• 4.3 结论66-67
• 参考文献67-69
• 第五章 固体聚合物水电解池耐腐蚀扩散层的研究69-82
• 5.1 实验70-74
• 5.1.1 电极制备70-71
• 5.1.1.1 IrO_2／Ti的制备70
• 5.1.1.2 耐腐蚀扩散层制备70-71
• 5.1.1.3 CCM的制备71
• 5.1.1.4 MEA的制备71
• 5.1.2 物理表征71-72
• 5.1.2.1 SEM和TEM表征71-72
• 5.1.2.2 BET表征72
• 5.1.3 电化学测试72-73
• 5.1.3.1 三电极测试体系72
• 5.1.3.2 CV测试72
• 5.1.3.3 EIS测试72-73
• 5.1.3.4 单池极化曲线测试73
• 5.1.4 扩散层耐腐蚀性的测试73-74
• 5.2 结果与讨论74-82
• 5.2.1 BET表征74
• 5.2.2 TEM和SEM分析74-76
• 5.2.3 CV分析76-79
• 5.2.4 EIS分析79
• 5.2.5 单池极化曲线评价79-80
• 5.2.6 扩散层耐腐蚀性测定80-82
• 5.3 结论82
• 参考文献82-84
• 第六章 结论84-87
• ABSTRACT87-89
• 论文发表情况89-90
• 致谢90-91
• 作者简介91-92
• 学位论文独创性声明92
• 学位论文版权的使用授权书92

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